Dịch bài saaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

Dịch bài
Con đường hình thành nhiễm sắc thể phân bào
Dữ liệu và mơ hình được trình bày ở đây gợi ý một con đường hình thành nhiễm sắc thể mà qua đó các
tế bào chuyển đổi tổ chức nhiễm sắc thể xen kẽ thành nhiễm sắc thể phân bào được nén chặt (Hình 6).
Cùng với các quan sát trước đây (II), hình ảnh và dữ liệu Hi-C, mơ hình chi tiết thơ và mơ phỏng q trình
hình thành đại phân tử của chúng tôi cho thấy các xen kẽ như ngăn và TAD bị mất trong vòng vài phút
sau khi bước vào giai đoạn kì đầu, trong một quá trình phụ thuộc vào lượng condensin, và ở cuối kì đầu,
các nhiễm sắc thể được tổ chức thành các mảng vòng xuyên tâm. Cơ chế mà TADS và các ngăn bị mất
vẫn chưa được biết rõ, nhưng dữ liệu của chúng tơi cho thấy rằng cần phải có q trình ngưng tụ của
condensin. Các yếu tố góp phần bổ sung có thể bao gồm mất liên kết CTCF và protein condensin (hình S4,
B và C) và mức độ vịng lặp tăng lên có thể xóa ranh giới ngay cả khi CTCF vẫn bị ràng buộc (hình S27).
Kích hoạt tầng kinase phân bào là không đủ để tháo rời trong một quá trình phụ thuộc vào condensin
Hình 5. Vai trị riêng biệt của condensin I và II trong quá trình hình thành nhiễm sắc thể phân bào. ( A )
Các đường cong trên toàn bộ bộ gen của tần số tiếp xúc P (s) so với khoảng cách bộ gen, trở lại bình
thường ở s = 100 kb. Các đường cong là P (s) có nguồn gốc từ dữ liệu Hi-C thu được từ CAP-H2 đã cạn
kiệt (trái) và Các tế bào đã cạn kiệt CAP-H (phải), ở thời điểm t = 7 đến 60 phút sau khi được giải phóng
khỏi việc bắt giữ G₂. Đường đứt nét biểu thị P(s)=s. ( B ) Các đường cong P (s) chồng lên nhau ở dạng tự
do. Các nhiễm sắc thể đã hết CAP-H- và CAP-H2 cho thấy sự đóng góp hai phức hợp condensin độc lập
đối với các tiếp xúc khoảng cách ngắn và dài. (C) Các mơ hình polymer của nhiễm sắc thể đã cạn kiệt
CAP-H2 (trên cùng) và đã cạn kiệt CAP-H (dưới). (Trên cùng) Sự suy giảm của CAP-H2 được mơ hình hóa
thơng qua việc loại bỏ các vịng bên ngoài và làm giãn chuỗi xoắn. (Dưới cùng) Sự suy giảm của CAP-His
được mơ hình hóa thơng qua việc loại bỏ các vòng bên trong trong khi vẫn giữ được dạng xoắn ốc. Các
vòng lặp condensin II được hiển thị bằng màu đỏ; vòng lặp condensin I được hiển thị bằng màu xanh
lam. (D) P(s) có nguồn gốc từ kỳ giữa muộn Các thí nghiệm Hi-C suy giảm CAP-H2 (đường màu đỏ) và ba
thí Kích thước vịng lặp trung bình và mật độ của các vòng dọc theo trục nhiễm sắc thể được chỉ định. (E)
Kích thước vịng lặp trung bình và thay đổi Mật độ DNA theo ba mơ hình nhiễm sắc thể đã hết CAP-H2
phù hợp nhất, ở những thời điểm khác nhau. (F) P(s) có nguồn gốc từ kì giữa, Các thí nghiệm Hi-C suy
giảm CAP-H (đường màu đỏ) và phân tử phù hợp nhất các mô hình có và khơng có các vịng lặp bên
trong lồng nhau (các đường thang độ xám). Kích thước trung bình của các vịng bên ngồi và bên trong,
độ dài của một vịng xoắn tính bằng megabase (hàng triệu gene). (G) Dự đốn P(s) phù hợp nhất theo
cầu thang mơ hình chi tiết thơ cho các thí nghiệm Hi-C suy giảm CAP-H kì giữa muộn tại thời điểm t = 30

phút sau khi giải phóng lệnh bắt giữ G₂ (đường màu xám). Đường màu đỏ biểu thị (các) P thử nghiệm.
(Trên cùng) Kích thước vịng lặp là 200 kb; (dưới cùng) kích thước vịng lặp là 400 kb.
Hình 6. nhiễm sắc thể phân bào nhân tế bào
Trong kì đầu, condensin II nén các nhiễm sắc thể thành các dãy liên tiếp và các nhiễm sắc thể chị em
phân chia dọc theo chiều dài của chúng. Khung của các đế vòng qua trung gian condensin II được biểu
thị bằng màu đỏ. Sau khi phá vỡ lớp vỏ hạt nhân và đi vào kì giữa, các vịng qua trung gian condensin II
trở nên ngày càng lớn khi chúng chia thành các vòng nhỏ hơn ~ 80 kb bởi condensin I. Nhiễm sắc thể
được hiển thị dưới dạng mảng các vòng lặp. Đỉnh, mặt cắt ngang; mặt dưới, mặt bên. (Chỉ có thể quan
sát các vịng bên trong bằng kính hiển vi. Để rõ ràng, các vòng được biểu thị là các thực thể riêng biệt
hướng về một hướng, mặc dù trên thực tế, các vịng khơng có cấu trúc và có thể trộn lẫn.) Sự sắp xếp
lồng nhau của các đế vòng qua trung gian condensin II và nằm ở ngoại vi hơn. Các cơ sở vòng lặp qua


trung gian condensin I lần lượt được biểu thị bằng màu đỏ và màu xanh lam. Trong kì giữa, bộ khung
trung tâm thu được sự sắp xếp xoắn ốc với các vòng xoay quanh bộ khung như các bậc thang trong cầu
thang xoắn ốc (đường xoắn ốc của các vòng được biểu thị bằng các mũi tên). Khi kì giữa bắt đầu, các
vịng bên ngồi phát triển, số vịng trong mỗi lượt tăng lên và nhiễm sắc thể rút ngắn lại để hình thành
nhiễm sắc thể phân bào trưởng thành
Các mơ hình của chúng tơi đạt được sự phù hợp tốt nhất với dữ liệu Hi-C cho thấy rằng, trong kỳ đầu
tiên, các vịng phụ thuộc condensin II tăng kích thước từ 30 đến 40 kb lên đến 60 kb, dẫn đến mật độ
nhiễm sắc tuyến tính tăng gấp đơi từ ~ 7 lên 15 Mb / mm. Các chất condensin ở đáy vòng tạo thành một
giàn nhiễm sắc thể (19, 62), có thể là cấu trúc động chứ khơng phải cấu trúc tĩnh và các vòng được sắp
xếp liên tục dọc theo nó (mỗi vịng ~5 nm của trục). Sự sắp xếp xuyên tâm của các vòng xung quanh bộ
khung linh hoạt trung tâm không phải là ngẫu nhiên, với các vòng liên tiếp chiếu theo các hướng tương
tự nhau; nghĩa là, với sự sắp xếp tương quan góc cạnh.
Nhiễm sắc thể rút ngắn dọc theo trục dọc của chúng và trở nên rộng hơn trong kỳ đầu. Mô phỏng của
chúng tơi cho thấy các vịng đóng xoắn II tiếp tục tăng lên 200 đến 400 kb trong 30 phút và 400 đến 700
kb trong 60 phút, kèm theo sự gia tăng mật độ nhiễm sắc tuyến tính, đạt tới 60 Mb/um. Tuy nhiên, có
hai sự tái tổ chức quan trọng diễn ra trong giai đoạn đầu kì giữa. Đầu tiên, các vịng lặp qua trung gian
đóng xoắn II lớn được chia thành các vòng lặp 80 kb nhỏ hơn trong q trình phụ thuộc vào condensin I,

do đó tạo ra sự sắp xếp vòng lặp lồng nhau với các vịng lặp bên ngồi ~400-kb và các vịng lặp bên trong
~80-kb. Thứ hai, mảng vịng lặp có được sự sắp xếp xoắn ốc được chứng minh bằng sự xuất hiện của dải
chéo thứ hai trong bản đồ Hi-C cho tất cả các locus và nhiễm sắc thể. Các mô hình cho thấy rằng sự sắp
xếp xoắn ốc này của các vịng có thể đạt được nếu bộ khung tạo thành một cầu thang xoắn ốc hẹp bên
trong một nhiễm sắc thể hình trụ đồng nhất. Bán kính, chiều cao của mỗi lượt (cao độ) và số kilobase
trên mỗi lượt của chuỗi xoắn này tiếp tục phát triển thông qua kì giữavà sự tăng trưởng này bị hạn chế
phần nào bởi condensin I. Do đó, một mơ hình mới của nhiễm sắc thể kì giữacó dạng xoắn ốc trung tâm,
được hình thành bởi condensin II ( 62), tổ chức các vịng bên ngồi 200 đến 400 kb được chia nhỏ thành
các vịng bên trong kì trung gian I condensin 80 kb để đạt được mật độ cao.
Nhiễm sắc thể trong tế bào DT40 có kích thước từ gần 200 Mb đến dưới 1 Mb. Phân tích Hi-C của chúng
tơi cho thấy rằng sự tổ chức của nhiễm sắc thể và kì giữa phần lớn độc lập với chiều dài của chúng: Kích
thước của các vịng và số lượng DNA trên mỗi vòng xoắn ốc là như nhau đối với tất cả các nhiễm sắc thể
lớn hơn 10 đến 20 Mb (hình 2). S11). Đối với các nhiễm sắc thể ngắn hơn một vòng xoắn (cùng chứa <6%
bộ gen cua gà), chúng tôi không thấy đường chéo thứ hai trong biểu đồ Hi-C, cho thấy rằng, , bộ khung
quá ngắn và khơng thể hồn thành một vịng xoắn ốc đầy đủ. (hình S11). Việc mơ phỏng cấu trúc của các
nhiễm sắc thể ngắn (<10 đến 20 Mb) rất khó vì hầu hết nhiễm sắc thể của chúng nằm gần đầu mút hoặc
tâm động, điều này có thể ảnh hưởng đến tổ chức của nó và các mơ hình của chúng tơi khơng mơ tả
cách sắp xếp DNA tại đó.
So sánh với các nghiên cứu trước đây
Mặc dù các chi tiết cụ thể của mơ hình này xuất hiện từ sự phù hợp khơng của các mơ hình với dữ liệu,
nhưng tổ chức mới nổi và các đặc điểm của nó phù hợp với các nghiên cứu trước đó. Đầu tiên, kích
thước 60 đến 80 kb của các vòng lặp bên trong là hoàn toàn tương tự với các giá trị được đề xuất bởi các
cuộc nghiên cứu (44), các phép đo từ kính hiển vi điện tử (6, 19) và phân tích Hi-C của các tế bào HeLa
phân bào (8). Tương tự, những thay đổi về mật độ tuyến tính từ kỳ đầu tiên đến kỳ đầu tiên trong các


mơ hình tốt nhất (từ 15 đến 50 Mb/um) phù hợp với nhiễm sắc thể ở kỳ đầu dài ít nhất gấp đôi so với
nhiễm sắc thể ở kỳ giữa (11, 61).
Thứ hai, nhiễm sắc thể kì giữa xoắn ốc từ lâu đã được quan sát thấy trong một số chế phẩm nhiễm sắc
thể nhất định (10, 37, 38, 40), và điều này đã dẫn đến các mơ hình về cách gấp nếp của nhiễm sắc thể

phân bào. Phân tích của chúng tôi về dữ liệu Hi-C chỉ ra rằng nhiễm sắc thể kì giữa được tổ chức xung
quanh vùng trung tâm xoắn ốc hoặc lớp vỏ: Các vòng phát ra với đóng xoắn từ khung xoắn ốc nằm ở
trung tâm. Mơ hình hóa cho thấy rằng các cách sắp xếp xoắn ốc khác - ví dụ: cuộn tồn bộ mảng vịng
lặp (40, 50, 65, 66) - khơng nhất qn với dữ liệu Hi-C của chúng tơi.
Mơ hình vịng bộ khung xoắn ốc của chúng tôi thống nhất một loạt các mơ hình và quan sát được thực
hiện trong nhiều năm. Nó giải thích cách có thể đạt được sự sắp xếp đóng gói nhiễm sắc xoắn ốc trong
khi các protein khung như condensin và topoisomerase II được định vị ở trung tâm (15-17), trong một
nhiễm sắc thể không rõ ràng khi hiển thị bằng thuốc nhuộm DNA chẳng hạn như DAPI (67). Vào giai
đoạn cuối của kì đầu, chúng tơi ước tính chiều cao của một vịng xoắn ốc là ~ 200nm, cũng là kích thước
của lớp (lớp 12-Mb với mật độ tuyến tính 60 Mb/um) và phù hợp với các quan sát bằng kính hiển vi cho
thấy rằng liên tiếp giao tử gen đi theo một vòng xoắn ốc với bước sóng ~250 nm trong hình trụ của
nhiễm sắc thể (68).
Cơ chế
Sự sắp xếp vòng lặp như vậy có thể xuất hiện một cách tự nhiên do quá trình ép vịng lặp. đã được đưa
ra giả thuyết là một cơ chế nén nhiễm sắc thể (69, 70) và gần đây nhất được kiểm tra bằng mô phỏng
(25, 48, 71) và được hỗ trợ bởi các nghiên cứu đơn phân tử (72). Trong quá trình này, mỗi condensin bắt
đầu hình thành một vịng lặp ngày càng lớn hơn cho đến khi nó phân ly hoặc dừng lại do bị chặn bởi các
condensin lân cận hoặc các protein liên kết DNA khác. Một nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng q
trình này có thể hình thành một loạt các vòng lặp liên tiếp (8) với các phần condensin tạo thành một
khung trung tâm ở giữa nhiễm sắc thể hình trụ (48), là một đặc điểm thiết yếu của nhiễm sắc thể phân
bào. Các nhiễm sắc thể chị em được phân giải bằng kỳ đầu muộn (11-13), chỉ ra rằng sự hình thành các
dãy vịng xảy ra khi các nhánh nhiễm sắc thể chị em bị tách ra.
Một khía cạnh khác của q trình tạo vịng lặp là kích thước vịng lặp được thiết lập bằng một q trình
trao đổi condensin động mà không cần các thành phần rào cản hoặc vị trí tải cụ thể (25). Điều này phù
hợp với dữ liệu Hi-C của chúng tôi cho thấy rằng các đế vịng lặp khơng được định vị ở các vị trí có thể tái
tạo cụ thể [ví dụ: các vùng gắn bộ khung hoặc ma trận (73, 74)] trong quần thể tế bào. Phân tích dữ liệu
ChIP được cơng bố về SMC2 trong các tế bào DT40 phân bào (45) cho thấy mức độ liên kết condensin
thấp trong toàn bộ bộ gen và chỉ có rất ít locus được làm giàu trong liên kết condensin: Chỉ có 289 vị trí
cho thấy mức độ phong phú hơn gấp năm lần so với DNA đầu vào và 4617 trang web hiển thị mức độ
phong phú hơn gấp đôi. Những con số này thấp hơn nhiều so với 16.000 vòng lặp bên trong mà dữ liệu

và mơ hình của chúng tơi dự đốn. Các vị trí được làm giàu bằng condensin hiển thị kiểu tương tác Hi-C
nhất quán với việc chúng nằm ở đáy của các vòng lặp thường xuyên hơn một chút so với các vị trí khác
(hình S13). Trên cơ sở những phân tích này, chúng tơi ước tính rằng hơn 95% các vịng phân bào khơng
được định vị tại các vị trí cụ thể.
Các mơ phỏng cho thấy q trình vịng lặp từ từ tiếp cận trạng thái ổn định bằng cách trao đổi chất
condensin và tăng dần kích thước vịng lặp trong q trình này (25). Điều này phù hợp với sự tăng
trưởng dần dần của các vòng lên tới 500 kb bằng cách trao đổi chậm condensin II, cũng như sự hình


thành tương đối nhanh chóng các vịng bên trong 60 đến 80 kb bằng condensin I trao đổi nhanh hơn
(75).
Việc hình thành các vịng lồng nhau là rất quan trọng để các mô phỏng polyme của chúng tôi tái tạo dữ
liệu Hi-C pro-metaphase vì chỉ điều này mới cho phép mật độ nhiễm sắc cao hơn. Trong cấu trúc này, các
đế vịng bên ngồi được đặt ở bộ khung trung tâm, trong khi các đế vòng lồng bên trong được dịch
chuyển theo hướng xun tâm. Phân tích của chúng tơi về sự suy giảm condensin I hoặc II cho thấy rằng
condensin II tạo ra các vịng lặp bên ngồi và condensin I tạo ra các vịng lặp bên trong. Mơ phỏng của
chúng tơi cho thấy rằng sự sắp xếp vịng lặp lồng nhau này có thể được giải thích bằng thời gian bán hủy
dài hơn của condensin II và thời gian bán hủy ngắn hơn của condensin I trên chất nhiễm sắc, được đo
bằng huỳnh quang.
Tại sao khung trong quá trình condensin II chỉ thu được độ bền trong kì giữa(chứ khơng phải trong kì
đầu) vẫn chưa được biết, nhưng điều này có thể liên quan đến sự tương tác với các protein khác, chẳng
hạn như DNA topoisomerase II alpha hoặc KIF4A. Ước tính của chúng tơi về bán kính của khung trong kì
giữa(30 đến 100nm) phù hợp với chiều dài 50nm của cuộn dây SMC có thể tương tác với nhau thông qua
các lần lặp HEAT (76), được biết đến với khả năng tự lắp ráp thành dạng xoắn ốc xoắn ốc (77). Sự hình
thành dần dần của nhiễm sắc thể qua trung gian nhiệt như vậy và sự ràng buộc của các yếu tố khác có
thể giải thích bước và bán kính của chuỗi xoắn tăng lên theo thời gian như thế nào.
Chất nhiễm sắc phân bào vẫn condensin khi khơng có cả chất condensin I và II, mặc dù các nhiễm sắc thể
hình que riêng lẻ khơng được hình thành và tế bào khơng thể tiến triển thành phản co. Điều này gợi ý
các cơ chế bổ sung mà qua đó chất nhiễm sắc trở nên condensin trong q trình ngun phân. Các mơ
phỏng của chúng tơi cũng cho thấy rằng để đạt được sự phù hợp với dữ liệu Hi-C, chất nhiễm sắc phải

được condensin (tương tự về mặt tính tốn với các điều kiện dung mơi kém), tạo thành các vịng nhiễm
sắc dày đặc trong nhiễm sắc thể phân bào, giống như sự đóng gói dày đặc của chất nhiễm sắc được quan
sát thấy. trong nhiễm sắc thể phân bào bằng kính hiển vi điện tử (46, 78, 79). Cơ sở phân tử của sự nén
chặt này chưa được biết nhưng có thể liên quan đến sự biến đổi nhiễm sắc thể đặc hiệu nguyên phân
(80, 81) hoặc các protein vận động hoạt động như KIF4A
Con đường hình thành nhiễm sắc thể được mơ tả ở đây và việc xác định các vai trò cấu tạo riêng biệt của
condensin I và II trong việc tổ chức các nhiễm sắc thể dưới dạng các mảng vòng lặp lồng nhau quanh một
khung xoắn trong một nhiễm sắc thể hình trụ. để khám phá các cơ chế phân tử mà qua đó các phức hợp
này và các thành phần quan trọng khác như topoisomerase II alpha và KIF4A hoạt động trong việc tạo ra,
sắp xếp (tái) và condensin các vòng nhiễm sắc thể để tạo nên nhiễm sắc thể phân bào.
Tóm tắt phương pháp
Ni cấy tế bào DT40 đồng bộ trong q trình ngun phân được phân tích bằng Hi-C, hình ảnh để xác
định cấu trúc của nhiễm sắc thể. Dữ liệu Hi-C được sử dụng để định lượng sự phân chia nhiễm sắc thể và
rút ra mối quan hệ giữa tần số tiếp xúc P và khoảng cách bộ gen. Các mơ hình hạt thơ và mơ phỏng
polymer cân bằng đã được thực hiện để kiểm tra các mơ hình tổ chức nhiễm sắc thể kì đầu và kì giữa
dựa trên dữ liệu Hi-C và để xác định các tham số phù hợp nhất cho kích thước của vòng lặp, độ xoắn và
bước xoắn cũng như mật độ tuyến tính trên micromet chiều dài nhiễm sắc thể). Hình ảnh kích thước
nhiễm sắc thể và định vị condensin đã được thực hiện để xác nhận các dự đoán của mơ hình. Các dịng
tế bào biểu hiện các tiểu đơn vị condensin được hợp nhất với các miền cảm ứng được auxin đã được sử
dụng để làm cạn kiệt một cách hiệu quả các tiểu đơn vị này trước khi tế bào bước vào quá trình nguyên


phân. Hi-C và phân tích hình ảnh sau đó được thực hiện để đánh giá tác động của sự suy giảm condensin
đối với sự hình thành nhiễm sắc thể phân bào. Quy trình chi tiết cho tất cả các phương pháp được mô tả
trong tài liệu bổ sung